Солнечная система (Астрономия и астрофизика) - Сурдин Владимир Георгиевич. Страница 79

Есть причины полагать, что для образования аномальных хвостов недостаточно действия только сил тяготения и светового давления. Скорее всего, такие хвосты возникают при резком выбросе пылевых частиц из некоторых кометных ядер в сторону Солнца. Однако механизм направленного выброса пыли пока остается неясным.

Аномальные хвосты наблюдались более чем у 20 комет. Одной из них была комета Когоутека (1973 XII), на необычный хвост которой первыми обратили внимание астронавты, работавшие на орбитальной станции «Скайлэб».

Физические процессы в атмосфере кометы

Изучая форму комет и их спектры, астрономы в конце XIX и начале XX вв. поняли, что разреженные головы и хвосты комет состоят из молекул газа и твердых пылинок, движущихся под действием гравитации и давления солнечного света. Но ясное представление о физико-химических процессах, происходящих в кометах, сформировалось только к середине XX в.

Напомним, что раскаленные жидкости и твердые тела, а также полностью ионизованные газы дают излучение с непрерывным спектром. Горячий газ, состоящий из атомов, излучает отдельные линии, а молекулярный газ излучает широкие полосы, состоящие из множества линий.

Механизм свечения кометных «голов и хвостов» выясняли довольно долго: в период пролета кометы Галлея (1910 II) К. Шварцшильд и Е. Крон в 1911 г. установили, что молекулы и атомы кометной атмосферы не рассеивают, а переизлучают солнечный свет. Но только к 1934 г. стало окончательно ясно, что при этом происходит резонансная люминесценция, при которой атом возбуждается фотоном из основного состояния, а затем возвращается в него, излучая точно такой же фотон. Но обнаружены и другие виды свечения кометных газов, которые не удается объяснить люминесценцией. Например, зеленая и красная запрещенные линии кислорода (которые видны также в спектрах полярных сияний), красная линия атомарного водорода и ряд других. Их наличие в спектрах комет пытались и пытаются объяснить рядом механизмов (электронный удар, фотодиссоциация). Но окончательное решение еще не найдено.

Исследование спектров комет позволяет определить состав газа и его физическое состояние, например, степень ионизации. Выяснилось, что хвосты III типа имеют непрерывный спектр; это подтверждает предположение об их пылевом составе. Хотя хвосты II типа тоже демонстрируют непрерывный спектр, но есть основания считать, что он формируется путем многократного наложения большого количества спектральных полос разных молекул газа. Спектры хвостов I типа, в отличие от других, полосатые. В них присутствует излучение только ионизованных молекул (в основном N⁺₂, СО⁺ и реже СО⁺₂). Именно с этим связаны аномально большие ускорения частиц в хвостах I типа, которые невозможно объяснить действием лучевого давления. Теперь понятно, что большие ускорения и быстрые спиралевидные и волновые движения в хвостах этого типа вызваны давлением на ионизованный газ потоков солнечного ветра, несущего магнитное поле. Впрочем, далеко не все особенности поведения кометных хвостов уже вполне объяснены.

Поведение кометы

Вдали от Солнца у комет нет атмосферы, и они ничем не отличаются от обычных астероидов. После сближения с Солнцем до расстояния примерно 11 а.е. у них появляется оболочка неправильной формы — кома. Твердое ядро и окружающую его кому вместе называют головой кометы. В телескоп такая комета видна как туманное пятнышко, и отличить ее от далекого звездного скопления или планетарной туманности удается только по заметному собственному движению.

На расстоянии 3—4 а.е. от Солнца у кометы постепенно начинает развиваться хвост, который становится хорошо заметным на расстоянии менее 2 а.е. Хвост кометы представляет величественное зрелище: он простирается иногда на десятки и даже сотни миллионов километров, хотя и представляет из себя «видимое ничто». При дальнейшем сближении кометы с Солнцем ее хвост может разделиться на два и более хвостов, приобретая сложную структуру. Голова же кометы увеличивается до максимального размера на расстояниях 1,6—0,9 а.е., а затем уменьшается.

В разделе «Астероиды» рассказано об спектральной классификации малых планет. Предпринимаются попытки осуществить систематизацию и кометных спектров, чтобы на этой основе провести классификацию комет. Возможно, в будущем, когда будет накоплен больший наблюдательный материал по спектрам разных комет, это удастся осуществить.

Один из способов описания спектров комет предложил астроном И. Боушка. Для краткой характеристики спектра он использует следующие обозначения: «С» (от continuum) для непрерывного спектра; «Е» (от emission) для молекулярного спектра излучения; интенсивность спектра в соответствии с ее ростом характеризуется цифрами 1, 2 и 3; на отсутствие непрерывного или эмиссионного спектра указывает цифра «0»; если наиболее интенсивны полосы циана, добавляется буква «с», если присутствуют линии натрия — буква «n», если линии металлов — буква «m», и т.д. В скобках добавляется гелиоцентрическое расстояние кометы в момент получения спектра. Например, запись для одного из спектров кометы Когоутека (1970 III) выглядит так: СЗЕ1с(1,7). Это означает, что на гелиоцентрическом расстоянии 1,7 а.е. у кометы наблюдался очень сильный непрерывный спектр и слабые молекулярные полосы, среди которых наиболее интенсивными были полосы циана.

По спектрам комет в их головах и хвостах были обнаружены многие атомы, молекулы и пылевые частицы. Зафиксированные в кометах молекулы разделяют на родительские и дочерние. Родительские — это исходные, присутствующие в холодном веществе кометы, а дочерние — фрагменты родительских, возникающие под действием высокой температуры, коротковолнового излучения, бомбардировки космическими частицами. Какие именно молекулы родительские, а какие — дочерние, вопрос непростой. Многие специалисты считают, что родительские — это наиболее стабильные молекулы.

Предлагаются разные комбинации родительских молекул, вплоть до сложных органических соединений типа нитрилов, альдегидов, карбоновых кислот и аминокислот, лежащих в основе живой материи. Но есть и мнение, что родительскими могут быть только молекулы, которые имеют в своем составе радикалы (группы из нескольких атомов) со слабой химической связью с молекулярными основаниями, разрушаемой при изменении физических условий. Получившиеся после этого свободные радикалы способны образовывать новые — дочерние — соединения. Эти вопросы требуют дальнейших исследований.

Сейчас считается общепринятым, что в состав кометных атмосфер входят следующие компоненты:

1. Органические молекулы:

а) дочерние (производные): С, С₂, С₃, CN, СО, CS;

б) родительские: HCN, CH₃CN, С₃СН и др.;

2. Неорганические молекулы:

а) дочерние: Н, О, ОН, NH, NH₂;

б) родительские: Н₂О, N₂ и др.;

3. Металлы: Na, Са, Cr, Со, Mn, Fe, Ni, Сu, V, Si.

4. Ионы: СО⁺, СО⁺₂, СН⁺, CN⁺, N⁺₂, ОН⁺, Н₂0⁺ и др.

5. Пыль: силикаты.

Ядра комет

Предположение о том, что причиной увеличения яркости комет и появления у них комы и хвостов при сближении с Солнцем является присутствие в их ядрах льдов высказал в 1948 г. С.К. Всехсвятский и детально развил в начале 1950-х Ф. Уиппл (хотя близкие идеи высказывали еще П.С. Лаплас и Ф. Бессель). Согласно модели Уиппла, ядро кометы — это ком из «грязного снега», то есть сравнительно рыхлое образование из льдов разного состава (вода, аммиак, метан и углекислый газ), смерзшегося с пылью и фрагментами горных пород. Резкое возрастание светимости кометы объясняется ее нагревом при сближении с Солнцем и потерей вещества вследствие испарения (точнее — сублимации, т.е. перехода вещества из твердой фазы сразу в пар).